KR20170135222A - 높은 연성을 가진 무연 땜납 조성물 - Google Patents

Abstract

무연 땜납 조성물이 개시되고, 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 50중량% 내지 75중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐, 0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함한다. 본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 지니고, 양호한 연성 및 안정성을 지니므로, 유리 위의 금속화된 표면 상에 전기 접속기를 땜납하는데 적합하다.

Description

높은 연성을 가진 무연 땜납 조성물{LEAD FREE SOLDER COMPOSITION WITH HIGH DUCTILITY}

본 발명은 무연 땜납 조성물(lead free solder composition)에 관한 것으로, 특히 높은 연성(ductility)을 지닌 무연 땜납 조성물에 관한 것이다.

자동차의 뒤쪽 창문은 전형적으로 해당 유리 상에 위치된 디프로스터(defroster) 등과 같은 전기 기기를 포함한다. 이러한 전기 기기에 대한 전기 접속을 제공하기 위하여, 작은 면적의 금속 코팅이 일반적으로 유리에 도포되어 전기 기기에 전기 접속되도록 구성되는 금속화된 표면을 얻고, 이어서 전기 기기의 전기 접속기가 금속화된 표면 상에 납땜될 수 있다.

종래 기술에서, 전기 접속기는 납(Pb)을 함유하는 땜납으로 유리 위의 금속화된 표면 상에 납땜된다. 그러나, 납에 의해 초래되는 환경 오염으로 인해, 납의 사용은 더욱더 제한되고, 따라서 무연 땜납이 납땜 용도에 사용되기 시작하고 있다. 예를 들어, 80%를 초과하는 등과 같은 높은 주석(Sn) 함량을 함유하는 통상의 무연 땜납이 몇몇 산업에서 이용된다.

그러나, 유리는 취성이므로, 높은 주석 함량을 가진 통상의 무연 땜납은 유리 상에 전기 기기를 납땜하는 동안 유리의 균열을 일으키는 경향이 있다. 게다가, 실질적으로 열팽창계수(CTE)를 달리하는 두 물질(예컨대, 유리와 구리)을 납땜하는 것은 땜납 접합부의 냉각 동안 또는 후속의 온도 편위 동안 땜납 상에 응력을 부여한다. 따라서, 한편으로, 유리 상에 전기 기기를 납땜하는데 적합한 땜납 조성물은 납땜 과정 동안 자동차 유리의 균열을 초래하지 않을 정도로 충분히 낮은 용융점(즉, 액상선 온도(liquidus temperature))을 지닐 필요가 있는데, 그 이유는 더 높은 용융점 그리고 대응하여 더 높은 가공 온도가 CTE 부정합의 부작용을 증대시켜서 냉각 동안 땜납 상에 더 높은 응력을 부여하기 때문이다. 그 결과, 땜납은 또한 양호한 연성을 지닐 필요가 있다. 다른 한편으로, 땜납 조성물의 용융점은 충분히 높을 필요가 있고, 따라서 자동차의 통상의 사용 동안, 예컨대, 땜납이 차량이 태양광 하에 있어 창문을 닫고 있을 때, 또는 기타 극도로 심한 환경 조건 하에서, 용융되지 않을 것이다.

64.35 중량% 내지 65.65중량%의 인듐(In), 29.7중량% 내지 30.3중량%의 주석(Sn), 4.05중량% 내지 4.95중량%의 은(Ag) 및 0.25중량% 내지 0.75중량%의 구리(Cu)를 지닌 무연 땜납 조성물(이하 "65 인듐 땜납"이라 칭함)이 종래에 이미 개시되어 있다.

그러나, 인듐을 함유하는 땜납은, 통상 다른 땜납보다 훨씬 더 낮은 용융점을 지닌다. 65 인듐 땜납은, 예를 들어, 납 땜납의 160℃에 비해서 109℃의 고상선 온도(solidus temperature)와, 납 땜납의 224℃에 비해서 127℃의 액상선 온도를 지닌다. 일반적으로, 땜납 중의 더 높은 인듐 함량은 땜납의 더 낮은 고상선 온도를 초래한다. 몇몇 차량 제조사는, 땜납 접합부가 상승된 온도를 견딜 수 있어야만 하고, 따라서 인듐 함량을 가진 땜납이, 성능의 어떠한 열화도 없이, 120℃ 이상의 고상선 온도를 지니고 그리고 -40℃ 내지 120℃의 온도 범위에서 양호한 연성을 지녀야만 하는 것을 요망하고 있다.

또한, 밀접하게 배열된 복수개의 전기 접속기를 납땜함에 있어서, 전기 접속기의 납땜은, 인접한 납땜된 전기 접속기에 영향을 미칠 것이고, 따라서 땜납은 높은 안정성과 연성을 지닐 필요가 있으며, 그렇지 않다면 인접한 전기 접속기의 재용융 및 균열이 일어날 가능성이 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 50중량% 내지 75중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐, 0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하는, 무연 땜납 조성물을 제공하는데 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 1.0중량% 내지 1.1중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 0.7중량% 내지 0.8중량%의 이리듐을 포함할 수 있다.

무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 지닐 수 있다.

또한, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 지닐 수 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 무연 땜납 조성물은 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 지니고, 양호한 연성 및 안정성을 지니므로, 유리 위의 금속화된 표면 상에 전기 접속기를 땜납하는데 적합하다.

본 발명은 몇몇 실시형태와 관련하여 이하에 상세히 더욱 예시될 것이다. 본 명세서에서 기술되는 특정 실시형태는 본 발명을 제한하기보다는 오히려 단지 본 발명을 설명하기 위한 것임을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은, 유리 위에 전기적 요소들을 납땜하는데 적합한 무연 땜납 조성물을 제공한다. 예시적으로, 이러한 납땜은, 뒤쪽 창문의 내부면에 매립되거나 내부면 상에 침착된 전기적으로 내성인 서리방지 라인들로 구성된 윈도우 디프로스터를 포함하는 차량의 뒤쪽 창문을 제조하는데 요구된다. 서리방지 라인들은 뒤쪽 창문의 내부면 상에 위치된 1쌍의 전기 접촉 스트립(즉, 전기 접촉 표면, 또한 "부시 바"(buss bar)라고도 지칭됨)에 전기 접속된다. 전기 접촉 스트립들은 뒤쪽 창문의 내부면 상에 침착된 전도성 코팅으로 구성될 수 있다. 전형적으로, 전기 접촉 스트립은 은-함유 물질로 형성된다.

종래 기술에서의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 실시형태는, 0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬, 0.03중량% 내지 3중량%의 구리, 0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트, 50중량% 내지 75중량%의 인듐, 0.3중량% 내지 8중량%의 은, 5중량% 내지 11중량%의 마그네슘, 0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐, 0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐, 및 10중량% 내지 45중량%의 주석을 포함하는, 무연 땜납 조성물을 제공한다.

실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 스칸듐과 이리듐을 포함하고, 이 중에서 스칸듐은 입자 크기를 저감시키는 효과와 재결정화 온도를 상승시키는 특성을 지니고 땜납의 연성 및 안정성을 증대시킬 수 있는 한편, 이리듐은 높은 용융점, 높은 강도 및 강한 내식성을 특징으로 하고, 땜납의 강도, 고온 내성 및 내식성을 증대시킬 수 있으며, 땜납 접합부의 균열을 회피할 수 있고, 땜납 조성물의 고상선 온도를 120℃ 내지 135℃의 범위 내가 되도록 그리고 땜납 조성물의 액상선 온도를 130℃ 내지 145℃의 범위 내가 되도록 증가시킨다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 1.0중량% 내지 1.1중량%, 더 바람직하게는 1.04중량%의 스칸듐을 포함할 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 0.7중량% 내지 0.8중량%, 더 바람직하게는 0.75중량%의 이리듐을 포함할 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬 및 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 6중량% 내지 10중량%, 바람직하게는 7중량% 내지 9중량%, 더 바람직하게는 8중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 몇몇 다른 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 8중량% 내지 9중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위 내의 고상선 온도와 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 지닌다. 고상선 온도는 실제로 합금이 용융되기 시작하는 온도로서 정의된다. 고상선 온도 이하에서, 물질은 용융상 없이 완전히 고체이다. 액상선 온도는 결정(미용융 금속 또는 합금)이 용융물과 공존할 수 있는 최대 온도이다. 액상선 온도 이상에서, 단지 용융물로 이루어진 물질은 균질하다. 땜납 가공 온도는 납땜 기술에 의해 결정되는 도수에 의해 액상선 온도보다 높다.

본 발명의 땜납 조성물은 납이 없고, 전형적으로 약 105℃인 동일 유형의 다른 땜납의 가공 온도보다 높은 가공 온도를 지닌다. 또한, 본 발명의 땜납 조성물은, 종래 기술의 기존의 무연 땜납 조성물에 비해서, 훨씬 양호한 연성 및 안정성을 지닌다.

비스무트 및 구리와 다른 원소들과의 조합은, 땜납의 가공 온도의 예상되는 증가 및 특정 조건 하에서 땜납의 기계적 성능의 증대를 비롯하여, 땜납 조성물의 전반적인 성능을 개선시킨다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도를 지닐 수 있다.

더욱 몇몇 실시형태에 있어서, 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도를 지닐 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 3중량% 내지 4중량%의 안티몬을 포함할 수 있다.

몇몇 실시형태에 있어서, 무연 땜납 조성물은 4중량% 내지 5중량%의 비스무트를 포함할 수 있다.

본 발명의 무연 땜납 조성물은 120℃ 이상의 고상선 온도를 지니고, 양호한 연성 및 안정성을 지니므로, 유리 위의 금속화된 표면 상에 전기 접속기를 땜납하는데 적합하다.

이제 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부의 균열방지 성능이, 이하의 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시형태들과 몇몇 비교예 간의 비교에 의해 이하에 기술될 것이다.

		실시형태 1	실시형태 2	실시형태 3	실시형태 4	실시형태 5	비교예 1	비교예 2
함량 (중량%)	안티몬	1	2.3	4	4.3	5	4	5
	구리	0.1	0.5	1	1.4	2	1	2
	비스무트	0.5	1.5	3	5	7	3	5
	인듐	50	60	65	70	75	50	60
	은	0.5	1.5	2.5	4	6	2.5	4
	마그네슘	5	7	8	9	10	8	9
	스칸듐	0.1	0.6	1.1	1.4	1.55	0.05	1.8
	이리듐	0.3	0.6	1.0	1.2	1.4	0.05	2.0
	주석	10	20	25	30	40	30	40
균열		√	√	√	√	√	×	×
연성		양호	양호	양호	양호	양호	불량	불량
주석: √: 납땜 동안 인접한 땜납 접합부에서 균열이 발생하지 않음 ×: 납땜 동안 인접한 땜납 접합부에서 균열일 발생함

상기 표로부터 알 수 있는 바와 같이, 스칸듐이 땜납 조성물 중에 0.1중량% 내지 1.55중량% 범위의 양으로 함유된 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부의 균열이 후속 공정에서 회피될 수 있다. 그러나, 스칸듐이 땜납 조성물 중에 0.1중량% 미만 또는 1.55중량% 초과의 양으로 함유된 경우, 땜납의 균열방지 성능이 열화된다. 또한, 이리듐이 땜납 조성물 중에 0.3중량% 내지 1.4중량% 범위의 양으로 함유된 경우, 본 발명의 무연 땜납 조성물에 의해 형성된 땜납 접합부는 양호한 연성을 지닌다. 그러나, 이리듐이 땜납 조성물 중에 0.3중량% 미만 또는 1.4중량% 초과의 양으로 함유된 경우, 땜납의 연성 성능이 열화된다.

고온 저장 시험

본 발명의 실시형태의 무연 땜납의 연성 성능은 고온 저장 시험에 의해 시험된다. 이 시험에서, 기후 조절된 챔버의 온도는 일정한 120℃에서 유지되었고, 전기 접속기가 본 발명의 땜납에 의해 납땜되는 전기 접속기 및 금속화 표면은 상기 기후 조절된 챔버에 배치되었고, 6뉴톤의 분동을 24시간 동안 전기 접속기에 매달았다. 24시간의 종료 후, 전기 접속기를 3초 동안 디지털 포스 게이지(digital force gauge)에 의해 50N의 힘으로 (주위 온도에서) 잡아당겼으며, 이 시험 동안 전기 접속기로부터의 균열의 절단이 발생되지 않았다.

본 발명의 바람직한 실시형태들 및 적용된 기술 원리가 단순히 위에서 기술된 점에 유의해야 한다. 당업자라면 본 발명이 본 명세서에 기술된 특정 실시형태들로 제한되지 않는 것임을 이해해야 한다. 각종 명백한 변화, 재조절 및 대체가 본 발명의 보호 범위를 벗어나는 일 없이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 실시형태들을 통해 상세히 예시되었지만, 본 발명은 상기 실시형태들로 제한되지 않을 뿐만 아니라 본 발명의 개념을 벗어나는 일 없이 더 많은 기타 등가의 실시형태를 더욱 포함할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 종속된다.

Claims (5)

1. 하기를 포함하는 무연 땜납 조성물(lead free solder composition):
   0.02중량% 내지 6중량%의 안티몬,
   0.03중량% 내지 3중량%의 구리,
   0.03중량% 내지 8중량%의 비스무트,
   50중량% 내지 75중량%의 인듐,
   0.3중량% 내지 8중량%의 은,
   5중량% 내지 11중량%의 마그네슘,
   0.1중량% 내지 1.55중량%의 스칸듐,
   0.3중량% 내지 1.4중량%의 이리듐, 및
   10중량% 내지 45중량%의 주석.
2. 제1항에 있어서, 1.0중량% 내지 1.1중량%의 스칸듐을 포함하는, 무연 땜납 조성물.
3. 제1항에 있어서, 0.7중량% 내지 0.8중량%의 이리듐을 포함하는, 무연 땜납 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 무연 땜납 조성물은 120℃ 내지 135℃ 범위의 고상선 온도(solidus temperature)를 지닌, 무연 땜납 조성물.
5. 제3항에 있어서, 상기 무연 땜납 조성물은 130℃ 내지 145℃ 범위의 액상선 온도(liquidus temperature)를 지닌, 무연 땜납 조성물.